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在氧化环境中,纳米晶结构可促进高温合金的选择性氧化,提高氧化膜的粘附性,受到材料腐蚀领域的广泛关注。纳米晶高温防护涂层的成分与合金基体一致,涂层一基体互扩散趋势低,对基体影响小,而且其强度高于MCrAlY和NiPtAl涂层,不容易形成涂层表面褶皱(Rumpling)。这两个特点对服役温度为1050 ℃或更高的二代及更高级的单晶镍基高温合金涡轮叶片表面热障涂层来说是难得的优点。原因是现役的热障涂层主要采用NiPtAl粘结层/YSZ面层体系,难以克服粘结层对基材力学性能影响的问题。因此,本文以广泛使用的二代单晶镍基高温合金N5为基体材料,研究了纳米晶涂层的制备、成分和结构设计对其高温氧化机制的影响,取得了如下结果:研究了N5单晶高温合金表面喷砂、抛光和磨削对磁控溅射N5纳米晶涂层的循环氧化行为的影响。合金基体的表面处理会影响纳米晶涂层的沉积过程,导致涂层的柱状晶尺寸发生了明显的变化,进而影响涂层的氧化行为。沉积在喷砂基体表面的纳米晶涂层的柱状晶结构是非常不均匀的,某些位置的柱状晶的尺寸甚至达到了微米级别。1050 ℃循环氧化300次后,涂层表面发生了明显褶皱;沉积在抛光和磨削的基体合金上的纳米晶涂层的柱状晶是非常均匀,都是纳米级别的。没有出现涂层表面褶皱。相同的是,沉积在不同表面处理的N5纳米晶涂层都具有良好的抗循环氧化性能;但值得提及的是,涂层中的Ta参与氧化过程,破坏了氧化铝膜的纯净性,并改变了氧化膜的剥落方式。研究了 N5纳米晶涂层成分的改性对其氧化行为的影响,从而设计和制备了适用于不同服役温度的纳米晶涂层:1050℃氧化时,N5纳米晶涂层发生相变,导致富Ta的γ’相的析出。富Ta的γ’相中的Ta参与氧化过程,表面氧化铝膜中出现了多种氧化物颗粒,如TaOx(X=2和/或2.5)和AlTaO4,损害了氧化膜的结构完整性。在N5纳米晶涂层中添加适量的Y可以有效抑制Ta从涂层向氧化膜的运动,从而改善其抗氧化性能。当氧化温度升到1150℃,Ta对纳米晶涂层氧化行为的负面作用更加明显,而Y对Ta的抑制作用也明显下降。提高N5纳米晶涂层中Al的含量,氧化膜内没有Ta的氧化物,涂层与N5单晶合金也不会发生元素互扩散,这种高Al纳米晶涂层更适用于1150℃。结合纳米晶涂层与传统NiCrAlY涂层的优点,设计和制备了具有优异抗氧化和热腐蚀性能的纳米晶/NiCrAlY涂层。涂层是由厚的纳米晶内层和薄的NiCrAlY外层组成。两层的晶粒尺寸都是纳米级别的,有利于Al2O3的形成。纳米晶内层可以消除NiCrAlY涂层与基体合金之间的元素互扩散,NiCrAlY外层则可阻碍S和O等腐蚀介质沿涂层晶界向内扩散。在分别经受1050℃恒温氧化 1000 小时后、1050 ℃循环氧化 400 次后和 850 ℃75wt%Na2S04+25wt%K2S04腐蚀100小时后,纳米晶/NiCrAlY涂层表面均生成连续致密的保护性A1203膜。在上述研究的基础上,研究涂层比列对纳米晶/NiCrAlY涂层氧化行为的影响:在N5单晶高温合金上沉积不同厚度的纳米晶内层和NiCrAlY外层组成的纳米晶/NiCrAlY涂层。纳米晶内层不仅可以削弱NiCrAlY涂层与合金基体之间的互扩散,还可以提高NiCrAlY涂层的抗剥落性能。氧化时,纳米晶内层中的Ta可以通过NiCrAlY层扩散到涂层表面,参与氧化,生成Ta205。随着纳米晶内层厚度的增加,氧化膜中的Ta205含量增加。